פריצת דרך בחקר האינטראקציה בין אור לחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים

מה מגביל את היעילות האנרגטית של תאים סולריים מסוג חדש? החוקרים גילו את הסיבה

פריצת דרך בחקר האינטראקציה בין אור לחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים ממצאים חדשים הנוגעים להמרת אנרגיה סולרית לחשמל ולדלק מימן. במסגרת המחקר פותחה שיטה חדשנית למדידת יעילות ההמרה של פוטונים למטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) במוליכים למחצה. בשיטה זו הם גילו גורם לא מוכר המגביל את יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בתחמוצת ברזל (המטייט). הגורם שהתגלה צפוי להשפיע על יעילותם של חומרים נוספים, בפרט בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (electron correlated materials), שיש בהם אינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש. השיטה שפותחה צפויה להניב ידע חדש על האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים אלה ולסייע בפיתוח חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים.

יתרונותיה של האנרגיה הסולרית – אנרגיה שמקורה בשמש – ידועים כבר שנים, והניסיון לרתום אותה לצורכי האדם הוביל לפיתוחים רבים ובהם תאים סולריים פוטו-וולטאיים. התקנים אלה קולטים את חלקיקי האור (פוטונים) בחומר מוליך-למחצה, ואלה מוסרים את האנרגיה שלהם למטענים חשמליים ניידים המוכרים כאלקטרונים וחורים ומקנים להם מתח חשמלי המאפשר להם לבצע עבודה (אנרגיה חופשית). עבודה זו באה לידי ביטוי כאנרגיה חשמלית בתאים פוטו-וולטאיים, ובאופן עקרוני תאים שכאלו עשויים לספק את כל צורכי האנרגיה שלנו.

הקושי העיקרי במעבר לאנרגיה סולרית בת קיימה נובע מהזמינות המשתנה של אור השמש לאורך שעות היממה והתלות של אור זה בעננות ובאובך. תפוקת החשמל של תא פוטו-וולטאי נגזרת מעוצמת האור הפוגע בו, ולכן היא משתנה משעה לשעה, מעונה לעונה, ובימים רבים בשנה היא מוגבלת על ידי עננים ואובך. כדי שיהיה אפשר להסתמך על אנרגיה סולרית כמקור אנרגיה מרכזי היכול לספק את הדרישות לחשמל, חום, דלק וצרכים אחרים בכל שעות היממה ובכל עונות השנה יש צורך בהמרתה לאנרגיה הניתנת לאחסון (אגירה) והמרה מחדש לחשמל, חום ודלק בהתאם לדרישה. כך, למשל, אפשר לאגור את החשמל המופק בתאים סולריים פוטו-וולטאיים בסוללות (בטריות) נטענות, ולהמירו בחזרה לחשמל בשעת הצורך. אגירה בסוללות מייקרת את עלות החשמל הסולרי ומתאימה לשימוש בטווח של יממה לכל היותר. אגירה ארוכת טווח, למשל מעונה לעונה, דורשת פתרונות טכנולוגיים אחרים, וכך גם צורכי אנרגיה נוספים, מלבד הפקת חשמל, כגון חימום ביתי ותעשייתי, דלק לתחבורה ועוד.

פתרון שכזה ניתן למימוש באמצעות תאים פוטו-אלקטרוכימיים הפועלים באופן דומה לתאים פוטו-וולטאיים, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן על ידי פיצול מולקולות מים לשני מרכיביהם – חמצן ומימן. אלה נאגרים לשימוש עתידי, בין אם לייצור חשמל ובין אם להנעת כלי רכב חשמליים המונעים במימן באמצעות תא דלק המחליף את מערך הסוללות בכלי רכב חשמליים כדוגמת טסלה ואחרים. מימן הנוצר באופן זה מכונה מימן "ירוק" והוא מהווה תחליף אידאלי לדלק פחמימני שכן הפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד מים זכים.

תאים פוטו-אלקטרוכימיים להמרת אנרגיה סולרית למימן "ירוק" מעסיקים קבוצות רבות של מחקר ופיתוח באקדמיה, אולם טכנולוגיות אלה עדיין לא הבשילו ליישום. זאת בעיקר בשל מגבלות החומרים היכולים לשמש בהם. בדומה לתאים הפוטו-וולטאיים, גם כאן לב ליבו של התא עשוי מחומר מוליך-למחצה הקולט את הפוטונים וממיר את האנרגיה שלהם (אנרגיה של קרינה) לעבודה, אלא שכאן העבודה מתבטאת באנרגיה כימית האצורה בקשרים הכימיים של מולקולות המימן והחמצן הנוצרות מפיצול מולקולות המים. לשם כך, המוליך-למחצה טבול באלקטרוליט מימי בעל תכונות קורוזיביות שלא מאפשרות שימוש במוליכים למחצה רגילים כמו הסיליקון המשמש בתאים פוטו-וולטאיים. מגבלות אלה ואחרות מצריכות מוליכים-למחצה אחרים בעלי מאפיינים ייחודיים שאינם בנמצא ברגיל.

מזה למעלה מעשור, פרופ' אבנר רוטשילד וקבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרים מינרל הנקרא המטייט (hematite) והוא סוג של תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה, בעל קשת המאפיינים הדרושים לתא פוטו-אלקטרוכימי לפיצול מים למימן וחמצן. מחקר זה הוביל לפריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות שפורסמו בכתבי עת מדעיים מובילים מקבוצת Nature ואחרים. למרות השיפורים שהושגו בתכונות החומר ומבנה התא הפוטו-אלקטרוכימי, יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בהתקנים מבוססי המטייט מגיעה לפחות ממחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מגיעים קרוב ל- 100% מהגבול התיאורטי של סיליקון.

לאחר שנים של מחקר שבו הפכו החוקרים כל אבן בדרך לשיפור תכונות החומר ומבנה התא, הם הגיעו למסקנה שרב הנסתר על הגלוי וחייב להיות גורם נעלם ייחודי להמטייט שמונע הגעה לגבול התיאורטי המוכר לחומר זה. במחקרם האחרון, שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי Nature Materials, הם חושפים ומגלים את הגורם הנעלם הזה, ומציעים שיטה חדשה לאיפיונו בהמטייט ובחומרים אחרים. בניגוד לסיליקון ומוליכים למחצה אחרים המשמשים בתאים סולריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים, בהם הפוטונים הנבלעים בחומר מייצרים מטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) היכולים לנוע בחופשיות וליצור זרם חשמלי, חלק ניכר מהפוטונים המגיעים להמטייט נבלעים באופן שונה באמצעות מעברים אלקטרוניים מקומיים בהם האלקטרון עובר ממצב אנרגטי (הנקרא אורביטל) אחד לאחר באותו האטום עצמו או בקשר הכימי בין שני אטומים שכנים. מאחר שאלקטרון שכזה נשאר ממוקם באתר ספציפי בגביש, אין לו יכולת תנועה (ניידות) ולכן אין הוא יכול לתרום ליצירת זרם חשמלי. לכן, הפוטונים הנבלעים באופן זה "מתבזבזים" ואינם תורמים ליצירת זרם חשמלי (בתא פוטו-וולטאי) או מימן (בתא פוטו-אלקטרוכימי).

בשל תכונות כימיות ופיזיקליות ייחודיות המתבטאות, בין השאר, באינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש, חלק ניכר (כמחצית) מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים מקומיים מסוג זה. תכונה זו אופיינה לראשונה במחקר הנוכחי כתלות באורך הגל של הפוטונים הפוגעים בחומר, בהמטייט ובכמה תחמוצות מוליכות למחצה אחרות שבהן התופעה נמצאה שולית בהשוואה להמטייט. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בתופעה לא מוכרת ולכן קרוב לוודאי שהיא קיימת גם במוליכים למחצה אחרים. עצם חשיפת התופעה והתוויית דרכים לאיפיונה מהווה פריצת דרך מדעית בחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (correlated electron materials), ויש לה חשיבות מעשית בחקר חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים כדוגמת התאים הפוטו-אלקטרוכימיים לפיצול מים למימן וחמצן, נושא המחקר הנוכחי.

את המאמר שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials הובילו חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ובהם ד"ר דניאל גרוה (מדען בכיר במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), ד"ר דויד אליס והדוקטורנטית יפעת פיקנר מתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP), בשיתוף חוקרים מהמכון לחקר דלקים סולריים בראשותו של Prof. Roel van de Krol ב- Helmholtz-Zentrum Berlin. במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).

דפרופ' אבנר רוטשילד
ערכים תזונתיים ובריאותיים של הבננה
18% לא זוכרים איפה שמו את הדרכון שלהם
שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים
אב טיפוס להנחת תפילין ביד אחת • תחרות הפתרונות הנגישים
מהו הצמח הפופולארי ביותר ברשתות החברתיות?
איך בולמת המערכת החיסונית התחלקות תאי סרטן?
השבב החדשני שיחשוף את התמודדות המערכת החיסונית עם מחלת הסרטן
הגנה מהשמש – איך עושים את זה נכון?
חוקרים ישראליים גילו מנגנון חדש שיכול לעכב התפתחות תאי סרטן
כיצד גל אור וגל קול נעים באותה מהירות? • הצלחה ראשונה בפיענוח